不同利用方式土壤有機(jī)碳及其組分研究進(jìn)展

李 菡，袁 紅，宋洪福，張 亮，段良霞，盛 浩

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，土壤碳庫(kù)對(duì)人類生活和全球變化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生影響。土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的一個(gè)組成部分，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土地利用方式的改變是人類干擾地表土壤的主要形式，也是影響全球碳儲(chǔ)量和分布的一大因素[1-3]。然而當(dāng)土壤總有機(jī)碳值非常大時(shí)，很難使用總有機(jī)碳值來(lái)評(píng)估土地利用方式的變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，因此，近年來(lái)對(duì)土地利用方式變化十分敏感的土壤有機(jī)碳組分的研究引起了人們的廣泛關(guān)注[2,4]。

1 有機(jī)碳及其組分

1.1 土壤有機(jī)碳組分

按其化學(xué)性質(zhì)可將土壤有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳?；钚杂袡C(jī)碳占總有機(jī)碳的比重較少，它穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速度快，易氧化和礦化，但生物活性高，對(duì)土壤的微小變化也反應(yīng)靈敏，可以直接參與土壤的生化過(guò)程[5]?；钚杂袡C(jī)碳包括可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和微生物量碳等[1,6]。可溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)中移動(dòng)最大的組分，可以直接被土壤微生物利用，有一定的溶解度，在土壤中移動(dòng)迅速，易于分解和礦化，因此很容易流失。易氧化有機(jī)碳周轉(zhuǎn)最快，受地上凋落物和地下根系影響較大，它的分解極易受環(huán)境的影響。易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比率越高，說(shuō)明養(yǎng)分循環(huán)速率越快，土壤碳的穩(wěn)定性越差，不利于土壤碳庫(kù)的積累。土壤微生物量碳則是最活躍的組分，控制著所有有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，它是一個(gè)簡(jiǎn)單易測(cè)的土壤成分，地上植被類型被認(rèn)為是影響土壤微生物活動(dòng)的重要因子[7-9]。惰性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳庫(kù)中較穩(wěn)定的部分,是分解周期最長(zhǎng)的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，其含量越高越有利于土壤有機(jī)碳的積累[5]。土壤碳庫(kù)變化主要發(fā)生在活性碳庫(kù)中。

1.2 有機(jī)碳分組方法

有機(jī)碳組分是一個(gè)復(fù)雜的概念，不同研究方法獲得的土壤有機(jī)碳成分各不相同。20世紀(jì)60年代以前對(duì)土壤有機(jī)碳組分的研究主要根據(jù)其化學(xué)組成和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分組[10]。20世紀(jì)60年代之后，出現(xiàn)了物理分類方法[11,12]。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了將土壤有機(jī)碳按比重分為輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳的分組方法。自20世紀(jì)70年代起，土壤微生物體受到重視，由此出現(xiàn)了對(duì)土壤有機(jī)碳的生物分類法，但相關(guān)研究較少。

1.2.1 按有機(jī)碳的化學(xué)特性分類 根據(jù)3種不同濃度的KMnO4(33、167、333 mmol/L)氧化土壤有機(jī)碳的數(shù)量，Logninow等把易氧化有機(jī)碳分成 3個(gè)級(jí)別。Lefroy[13]和Blair[14]等研究發(fā)現(xiàn)在這3個(gè)級(jí)別中，能被333 mmol/L KMnO4氧化的有機(jī)碳在種植作物時(shí)變化最大，因此將能被333 mmol/L KMnO4氧化的有機(jī)碳稱為活性有機(jī)碳，不能被氧化的稱為非活性有機(jī)碳。Chan等[15]根據(jù)3種不同濃度的H2SO4(6.0、9.0、12.0 mol/L)和K2Cr2O7氧化土壤有機(jī)碳的數(shù)量，把可氧化有機(jī)碳分成4個(gè)組分?；羯徑艿萚11]依據(jù)土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率的快慢將土壤有機(jī)碳分成活性碳庫(kù)、慢性碳庫(kù)(緩效性碳庫(kù))和惰性碳庫(kù)(表1)。

表1 有機(jī)碳組分的化學(xué)分類方法[11]

1.2.2 按有機(jī)碳的物理學(xué)特性分類 土壤固相由不同形態(tài)和大小的土壤團(tuán)聚體和原生土壤顆粒組成[16]。有機(jī)碳的物理分組包括團(tuán)聚體分組和顆粒碳分組兩種方式，或者兩者結(jié)合起來(lái)，先進(jìn)行團(tuán)聚體分組，然后再進(jìn)行顆粒碳分組。在土壤顆粒分級(jí)過(guò)程中，土壤團(tuán)聚體被破壞，構(gòu)成團(tuán)聚體的土壤顆粒被分散為原生土壤顆粒，根據(jù)這一性質(zhì)，Tiessen等[17]將這些原生土壤顆粒分為砂粒、粗粉砂粒、細(xì)粉砂粒、粗粘粒和細(xì)粘粒。20 世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了根據(jù)土壤在1.6～2.5 g/mL溶液中的沉降，將土壤有機(jī)碳分為輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳的分組方法(表2)[10，11]。

表2 有機(jī)碳組分的物理學(xué)分類方法(顆粒碳分組)

1.2.3 按有機(jī)碳生物學(xué)特性分類 生物學(xué)方法是通過(guò)一定方法測(cè)定礦化生物和礦化有機(jī)殘?bào)w(如微生物生物量等)的生物量，或者利用將有機(jī)碳作為底物的反應(yīng)來(lái)推斷土壤中有機(jī)碳的生物有效性(潛在可礦化碳)[19，20]。土壤有機(jī)碳按生物方法可以分為微生物量碳和潛在礦化碳，通常采用氯仿熏蒸提取法或氯仿熏蒸培養(yǎng)法來(lái)測(cè)定，但是這種方法易受環(huán)境狀況影響且培養(yǎng)周期長(zhǎng)，很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)偏差甚至失敗[18]。

2 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳及其組分含量特征

當(dāng)前對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分的研究已經(jīng)很廣泛且深刻，不同的氣候類型、植被狀況、土壤質(zhì)地和地形特征影響著土地的利用方式，而利用方式的不同也對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分產(chǎn)生不同的影響，掌握不同利用方式的土壤有機(jī)碳的變化趨勢(shì)和規(guī)律對(duì)于保護(hù)土壤資源，保持土壤肥力，維持土壤資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2.1 濕地有機(jī)碳及其組分

濕地由于長(zhǎng)期處于淹水或水分過(guò)飽和狀態(tài)，積累了更多的活性有機(jī)碳，對(duì)氣候變化更為敏感[21，22]，因此，利用活性有機(jī)碳研究土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性已成為熱點(diǎn)[23]。參照《濕地公約》將中國(guó)的濕地劃分為近海與海岸濕地、河流濕地、湖泊濕地、沼澤與沼澤化濕地、庫(kù)塘等5大類28種類型，其中庫(kù)塘為人工濕地，其余均為自然濕地。

楊文煥等[24]研究黃河包頭段-南海濕地(河流濕地)發(fā)現(xiàn)，自然生長(zhǎng)的蘆葦?shù)目傆袡C(jī)碳含量最高且穩(wěn)定性最高，其次是旱柳和向日葵，玉米和裸地的有機(jī)碳含量最低。在垂直方向上，隨著深度的增加，4種利用方式下的總有機(jī)碳含量逐漸接近。旱柳由于沒(méi)有受人為耕作干擾且表層土壤草類植物較多，因此總有機(jī)碳高于除蘆葦?shù)赝獾钠渌玫?。而在江蘇洪澤湖濕地(湖泊濕地)中，李亞萍等[25]研究發(fā)現(xiàn)河口地區(qū)的總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳均顯著高于河漫灘和出湖濕地。這是由于河口濕地常年水淹狀態(tài)加速了土壤有機(jī)碳的溶解，增加了可溶性有機(jī)碳的含量。張文敏等[26]對(duì)杭州灣濕地(濱海濕地)的研究發(fā)現(xiàn)，互花米草在20 cm以內(nèi)深度中，總有機(jī)碳和可用性有機(jī)碳含量均顯著高于相同土層的蘆葦、海三棱藨草和裸灘，這是由于互花米草所在位置含水量高，但是幾乎不受潮水侵蝕，而含水量同樣比較高的蘆葦?shù)赜捎陂L(zhǎng)期受潮水侵蝕，凋落物流失，導(dǎo)致有機(jī)碳含量偏低。趙光影等[27]研究發(fā)現(xiàn)，小興安嶺森林天然沼澤(沼澤濕地)的活性有機(jī)碳組分高于排水濕地、棄耕地和農(nóng)田。崔東等[28]對(duì)伊犁河谷(河流濕地)不同植被狀態(tài)下的濕地地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，常年水淹的蘆葦濕地的可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、微生物量碳含量均低于同一地區(qū)的雀稗濕地和拂子茅濕地。

由此可見(jiàn)，在垂直方向上，活性有機(jī)碳組分含量普遍呈現(xiàn)出隨土壤深度增加而降低的趨勢(shì)。在水平方向上，濕地中偏濕潤(rùn)地區(qū)的活性有機(jī)碳均普遍高于較干燥地區(qū)，但是常年淹水的地方土壤呼吸力弱，植被覆蓋率偏低且腐殖質(zhì)少，導(dǎo)致微生物量碳和易氧化有機(jī)碳反而偏低；可溶性有機(jī)碳由于可以溶解且變化快，因此常年淹水地區(qū)土壤可溶性有機(jī)碳損失的也較多。在土地利用方式上，自然發(fā)育的濕地有機(jī)碳及其組分普遍高于受人類活動(dòng)干擾的濕地(表3)。

表3 不同地區(qū)濕地有機(jī)碳及其組分含量 g/kg

2.2 林地有機(jī)碳及其組分

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫(kù)。每年固定的碳約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3，在調(diào)節(jié)全球碳平衡和減緩大氣中二氧化碳濃度的增加中起著重要作用[29]。

殷有等[30]對(duì)遼東山區(qū)3種林型的土壤有機(jī)碳進(jìn)行研究，結(jié)果表明3種林型的土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量以及活性有機(jī)碳各組分均是天然次生林最高，人工混交林居次，人工純林最低。對(duì)于江蘇鳳陽(yáng)山，張勇等[31]的研究顯示，常綠闊葉林的總有機(jī)碳含量最高，杉木林和柳杉林居次，針闊混交林最低(表4)，主要原因是柳杉林凋落物遠(yuǎn)大于針闊混交林, 較厚的凋落物層會(huì)大大減輕土壤侵蝕強(qiáng)度,并有效防止表土有機(jī)碳的流失。而易氧化有機(jī)碳在常綠闊葉林中最高，杉木林柳杉林中最低。這與之前學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)的易氧化有機(jī)碳與總有機(jī)碳有顯著正相關(guān)性的結(jié)果相悖[32,33]，作者認(rèn)為可能是由于杉木林、柳杉林凋落物中蠟質(zhì)成分和角質(zhì)成分多，難分解的有機(jī)碳較多，導(dǎo)致易氧化有機(jī)碳較低。習(xí)丹等[29]在城市化梯度上研究了亞熱帶常綠闊葉林及其組分，發(fā)現(xiàn)生物量碳含量郊區(qū)顯著高于城區(qū)，而可溶性有機(jī)碳城區(qū)顯著高于郊區(qū)，城市化促進(jìn)了土壤活性碳分解，降低了穩(wěn)定性碳組分，不利于城市土壤碳庫(kù)的保持。

表4 不同地區(qū)林地有機(jī)碳及其組分含量 g/kg

由此可見(jiàn)，林地在垂直方向上有機(jī)碳及其組分隨土壤深度增加而降低；在水平方向上，受人類活動(dòng)干擾較大的地區(qū)土壤有機(jī)碳及其組分的變動(dòng)也較大，打破了原有的土壤有機(jī)碳變化規(guī)律。天然生長(zhǎng)不受人類干擾的森林地區(qū)土壤有機(jī)碳會(huì)高于受人類干擾嚴(yán)重的森林地區(qū)，樹(shù)種豐富的次生林和人工混交林有機(jī)碳會(huì)高于樹(shù)種單一的林地。受氣候、濕度、地表狀況的影響，同一類型的森林在不同地區(qū)有機(jī)碳及其組分表現(xiàn)各不相同，但差異不大。

2.3 草地有機(jī)碳及其組分

我國(guó)草地總面積約293萬(wàn)km2,占國(guó)土面積的1/3左右，草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一，其碳收支對(duì)全球碳平衡具有重要意義[34-36]。

劉育紅等[35]對(duì)青海省退化高寒草甸土的研究發(fā)現(xiàn)，隨著生態(tài)系統(tǒng)的退化，表層土壤中有機(jī)碳及其成分的含量發(fā)生了巨大變化。隨著退化程度的加劇，高寒草甸土壤有機(jī)碳含量迅速下降，損失嚴(yán)重。楊君瓏等[37]在研究寧夏草地時(shí)，觀察到山地草甸的土壤總有機(jī)碳含量最高，荒漠草原的微生物量碳含量最多，在同層土壤不同土地類型中，土壤易氧化有機(jī)碳均以典型草原最多。劉偉等[38]對(duì)黃土高原天然草地土壤的研究發(fā)現(xiàn)，在不同土層深度，高寒草甸草原的土壤有機(jī)碳含量均最高，荒漠草原最少，不同草地類型土壤有機(jī)碳均集中在0～40 cm的淺表層，有機(jī)碳含量與海拔呈顯著正相關(guān)，與年均溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與年降雨量無(wú)關(guān)(表5)。草原地區(qū)由于物種不及濕地和森林地區(qū)豐富，外部環(huán)境因素對(duì)其土壤有機(jī)碳組分的影響會(huì)更加強(qiáng)烈且明顯。草原地區(qū)土壤活性有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳組分沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，而惰性有機(jī)碳與總有機(jī)碳呈高度正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明草地土壤養(yǎng)分循環(huán)速率不高，有機(jī)碳庫(kù)較穩(wěn)定[39]。

表5 不同地區(qū)草地有機(jī)碳及其組分含量 g/kg

2.4 耕地有機(jī)碳及其組分

農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳是全球碳循環(huán)的重要組成部分，由于其特殊性，農(nóng)業(yè)土壤頻繁受到人類活動(dòng)干擾，土壤有機(jī)碳及其組分處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中，它影響著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，因此研究農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳及其組分的變動(dòng)對(duì)于選擇合理的耕作方式、穩(wěn)定土壤碳庫(kù)意義重大[40-42]。

2.4.1 旱地有機(jī)碳及其組分 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于旱作土壤有機(jī)碳的研究多集中在秸稈還田和使用有機(jī)肥前后土壤狀況對(duì)比方面。張英英等[43]對(duì)隴中黃土高原旱作土壤的研究結(jié)果表明，免耕結(jié)合秸稈覆蓋可有效提高土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳含量，有利于該地區(qū)旱地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，減少碳庫(kù)損失。通過(guò)研究寧夏南部旱作農(nóng)田土壤，路文濤等[44]發(fā)現(xiàn)秸稈還田能有效提高當(dāng)?shù)?～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量和碳庫(kù)管理指數(shù)，在寧南旱區(qū)實(shí)施秸稈還田, 既有利于培肥地力, 提高作物產(chǎn)量, 也可以改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)循環(huán),促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。武均等[45]在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕僅對(duì)0～20 cm土壤有機(jī)碳組分有顯著影響，而秸稈添加對(duì)0～40 cm土層均有顯著影響。雖然耕作模式和秸稈添加對(duì)土壤有機(jī)碳的提升均有效果，但是秸稈添加的效果高于耕作模式變化帶來(lái)的效果。張鵬等[46]通過(guò)4年的秸稈還田實(shí)驗(yàn)，與張英英和路文濤得到了一致的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量明顯提高，活性有機(jī)碳變化與總有機(jī)碳變化趨勢(shì)基本一致。張延等[16]在吉林省黑土分布區(qū)的定位實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：耕作方式的變化對(duì)表層土壤有機(jī)碳含量有顯著影響，但在10～30 cm的土層作用不明顯，傳統(tǒng)耕作會(huì)導(dǎo)致深層土壤有機(jī)碳含量下降(表6)。

表6 不同地區(qū)旱地有機(jī)碳及其組分含量 g/kg

2.4.2 水田有機(jī)碳及其組分 在珠江三角洲平原農(nóng)田，劉紅宜等[42]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳及其組分含量變幅較大且呈極顯著的正相關(guān)，有機(jī)碳隨土壤深度增加而逐漸下降，但在潛育層有所回升，這可能是受成土母質(zhì)和腐爛植物殘?bào)w埋藏影響造成的。王璽洋等[47]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江三角洲典型水稻土上層土壤有機(jī)碳組分含量下降速度明顯快于下層土壤，惰性碳比例遠(yuǎn)大于活性碳，他認(rèn)為水稻土固碳重點(diǎn)在于惰性和慢性碳。在貴州省黃壤性水稻土的長(zhǎng)期施肥實(shí)驗(yàn)中，王小利等[48]發(fā)現(xiàn)，4個(gè)施肥處理的土壤有機(jī)碳及其組分含量均隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加，施用有機(jī)肥土壤的有機(jī)碳含量年均增加速率和增幅均高于不施肥及單施化肥處理的，總有機(jī)碳的年均增加速率分別為不施肥及單施化肥處理的3.5～3.7倍和1.5～1.6倍，他認(rèn)為常量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的最有效模式(表7)。

表7 不同地區(qū)水田有機(jī)碳及其組分含量 g/kg

3 結(jié)論與展望

綜上所述，盡管土地利用方式各不相同，但土壤有機(jī)碳及其組分在垂直方向上的含量特征普遍表現(xiàn)為隨深度增加而降低，且淺表層土壤有機(jī)碳含量占土壤總有機(jī)碳含量的絕大部分。就表層土壤而言，因植被類型、植被覆蓋狀況和土壤質(zhì)地、土壤耕作施肥管理等造成的水土氣的配比不同，有機(jī)碳及其組分的含量變化各不相同，土壤有機(jī)碳含量在自然生長(zhǎng)的植被類型條件下明顯高于人類干擾地區(qū)。在人類活動(dòng)頻繁的地區(qū)，土壤有機(jī)碳及其組分含量的變化更為活躍。耕作管理方式的改變對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生積極的影響，長(zhǎng)期秸稈還田能有效提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量。

由此可見(jiàn)，土壤有機(jī)碳及其組分的變化受多種因素的影響[49]，自然要素如母質(zhì)、氣候、生物、地形、時(shí)間對(duì)土壤的影響是緩慢的，而人為因素對(duì)土壤的改變卻是迅速且巨大的。未來(lái)土壤有機(jī)碳的研究，應(yīng)多關(guān)注以下幾點(diǎn)：重視土壤有機(jī)碳及其組分對(duì)人為環(huán)境因子變動(dòng)的響應(yīng)研究，如免耕、休耕等管理措施改變下土壤有機(jī)碳的敏感性研究；探尋增加土壤有機(jī)碳的有效人為處理措施，培肥農(nóng)田土壤、防治土壤退化；闡明農(nóng)田土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)模式和機(jī)理，及其對(duì)地球碳源、碳庫(kù)的影響。未來(lái)可結(jié)合多尺度多區(qū)域進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)區(qū)域參比。